6o Forum Ενέργειας Ξενοδοχείο «ΑΣΤΗΡ», Πάτρα 04/02/2017 «Κατανάλωση Ενέργειας στα Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα» Παρασκευάς Κίτσος Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας 6o Forum Ενέργειας Ξενοδοχείο «ΑΣΤΗΡ», Πάτρα 04/02/2017

Ποιοι είμαστε Ομάδα Σχεδίασης Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων (diceslab.cied.teiwest.gr) Στο τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Του ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας

Status Είμαστε νέοι: Δημιουργηθήκαμε πριν 1 ½ χρόνο Οκτώ μέλη Έχουμε πολύ όρεξη για δημιουργία Αλλά και εμπειρία έχουμε Οκτώ μέλη Διαθέτουμε εξοπλισμό: FPGAs / Πλακέτες γενικού σκοπού (Xilinx, Altera, Lattice) FPGAs / Πλακέτες ειδικού σκοπού π.χ. κρυπτογραφία (SASEBO, SAKURA) DSPs, Embedded processors Παλμογράφους, Analyzers, γεννήτριες σημάτων, … Ειδικό λογισμικό (ISE, VIVADO, QUARTUS, QUESTA, MATLAB, LABVIEW, MATLAB-SIMULINK κ.α.) Έχουμε προλάβει και έχουμε συμμετάσχει σε δύο ερευνητικά προγράμματα

Ερευνητικά ενδιαφέροντα Η ομάδα δραστηριοποιείται στον αποδοτικό σχεδιασμό υλικού με εφαρμογές στην ασφάλεια συστημάτων και στην επεξεργασία σήματος. Σχεδιασμός ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για συστήματα ασφάλειας Αποδοτικές υλοποιήσεις σε ολοκληρωμένα κυκλώματα συστημάτων επεξεργασίας ήχου και βίντεο Υλικό ενσωματωμένων συστημάτων Υλοποιήσεις ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χαμηλής κατανάλωσης Σχεδιασμός αποδοτικών αρχιτεκτονικών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα FPGAs και ASICs  

Από τα πολύ μεγάλα…. ….στα πολύ μικρά …της τάξης του μm και του nm

Ψηφιακό ολοκληρωμένο κύκλωμα Ψηφιακό Ολοκληρωμένο κύκλωμα ονομάζεται ένα κύκλωμα λογικών πυλών (τρανζίστορς), δημιουργημένο πάνω σε ένα φύλλο πυριτίου Το φύλλο πυριτίου είναι μεγέθους κάποιων μm ή και nm Το πρώτο ολοκληρωμένο (Texas Instruments, 1958 (Kilby)) 4004 Μικροεπεξεργαστής (INTEL 1971, 1000 τρανζίστορ) iPhone 6: TSMC, 20 nm 2 δισεκατομμύρια τρανζίστορ

Συστοιχία επιτόπια προγραμματιζόμενων πυλών (FPGA) Είναι τύπος ολοκληρωμένου κυκλώματος γενικής χρήσης που μπορεί να προγραμματιστεί και επανα-προγραμματιστεί σε άλλη λειτουργία Διαθέτει πολύ μεγάλο αριθμό προγραμματιζόμενων ψηφιακών λειτουργιών που μπορούν να εκτελέσουν λογικά κυκλώματα πυλών όπως αθροιστές/αφαιρέτες, απαριθμητές, πολυπλέκτες, μνήμες κ.α.

Τάση στις σύγχρονες τεχνολογίες Cloud Επεξεργασία δεδομένων Συλλογή δεδομένων

Κατανάλωση ενέργειας Κινητές συσκευές / αισθητήρες: Οι μπαταρίες είναι όλο και μικρότερες Cloud: Τα ηλεκτρονικά του καταναλώνουν τεράστια ενέργεια Η κλιμάκωση της τεχνολογίας αρκεί?? Μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σχεδιαστικά!!

O Νόμος του Moore… Το 1965, ο Gordon Moore προέβλεψε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο θα διπλασιάζεται κάθε 18 με 24 μήνες. Έκανε την πρόβλεψη ότι η τεχνολογία ημιαγωγών θα διπλασιάζει την δυνατότητα ολοκλήρωσης κάθε 18 μήνες

…O Νόμος του Moore Electronics, Απρίλιος 19, 1965 16 15 14 13 12 ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 11 ΑΝΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ 10 9 8 7 6 5 In 1965, Gordon Moore sketched out his prediction of the pace of silicon technology. Decades later, Moore’s Law remains true, driven largely by Intel’s unparalleled silicon expertise. 2 LOG 4 3 2 1 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975

Η κλιμάκωση της CMOS τεχνολογίας αρκεί?? Κατανάλωση ισχύος Δυναμική κατανάλωση Στατική κατανάλωση Κατανάλωση λόγω ρευμάτων διαρροής Ρεύμα Ισχύς Keshab K. Parhi: VLSI Digital Signal Processing Systems: Design and Implementation

Κατανάλωση σε FPGAs

Παράμετροι σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Συχνότητα Μέγεθος Κυκλώματος Απόδοση Αντικείμενο είναι η χρυσή τομή των παραπάνω παραμέτρων, δηλαδή μέγιστη συχνότητα και απόδοση με το ελάχιστο μέγεθος του κυκλώματος καθώς και ο τρόπος που επιτυγχάνεται αυτό για κάθε περίπτωση

Μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σχεδιαστικά Η κατανάλωση ισχύος ενός ολοκληρωμένου είναι το άθροισμα τριών συνιστωσών Της δυναμικής κατανάλωσης Της κατανάλωσης λόγω των ρευμάτων διαρροής Της στατικής κατανάλωσης Η στατική κατανάλωση εξαρτάται από τη τεχνολογία Η δυναμική κατανάλωση όμως μπορεί να καθοριστεί από τον τρόπο σχεδιασμού του κυκλώματος του ολοκληρωμένου

Τρόποι μείωσης δυναμικής κατανάλωσης Μείωση ανεπιθύμητων μεταβολών (glitches) Απενεργοποίηση τμημάτων του κυκλώματος (input gating) Παράλληλη επεξεργασία των δεδομένων Διοχέτευση (Pipelining)

Μείωση ανεπιθύμητων μεταβολών (glitches) Οι ανεπιθύμητες μεταβολές είναι στην ουσία ψευδείς μεταβολές των σημάτων εξαιτίας της ανισορροπίας στη καθυστέρηση των σημάτων

Τμηματική απενεργοποίηση του κυκλώματος Ένας επεξεργαστής εκτελεί πράξεις πολλαπλασιασμού και πρόσθεσης

Παράλληλη επεξεργασία των δεδομένων Αντί για ένα κύκλωμα πολλαπλασιασμού με καταχωρητές συχνότητας f Χρησιμοποιούνται δύο κυκλώματα πολλαπλασιαστών με καταχωρητές συχνότητας f/2

Διοχέτευση «Σπάσιμο» του κυκλώματος του πολλαπλασιαστή σε δύο μικρότερα κυκλώματα και χρήση καταχωρητών διοχέτευσης Για την ίδια συχνότητα λειτουργίας f η τάση λειτουργίας μειώνεται

Παράδειγμα σχεδιασμού χαμηλής κατανάλωσης ισχύος (ενέργειας) Luffa συνάρτηση κατακερματισμού Είναι αλγόριθμος που χρησιμοποιείται στη κρυπτογραφία Λαμβάνει ως είσοδο τεράστια ποσότητα δεδομένων Και υπολογίζει μια πεπερασμένη, πολύ μικρή έξοδο (των 256-bit)

Luffa συνάρτηση κατακερματισμού…

…Luffa συνάρτηση κατακερματισμού…

…Luffa συνάρτηση κατακερματισμού…

…Luffa συνάρτηση κατακερματισμού Χρήση καταχωρητών pipeline μεταξύ όλων των στοιχείων ΜΙ, P, tweak και step του κυκλώματος

Πειραματική διάταξη

Μετρήσεις κατανάλωσης ισχύος

Κατανάλωση ενέργειας vs θερμότητα

DICES Lab. diceslab. cied. teiwest DICES Lab. diceslab.cied.teiwest.gr Ευχαριστώ πολύ για τη προσοχή σας!!!